基于comsol的电流体动力喷印泰勒锥仿真分析-静电纺丝

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       静电纺丝就是高分子流体静电雾化的特殊形式，此时雾化分裂出的物质不是微小液滴，而是聚合物微小射流，可以运行相当长的距离，最终固化成纤维。静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺，聚合物溶液或熔体在强电场中进行喷射纺丝。在电场作用下，针头处的液滴会由球形变为圆锥形（即“泰勒锥”），并从圆锥尖端延展得到纤维细丝。这种方式可以生产出纳米级直径的聚合物细丝。

    “静电纺丝”一词来源于“electrospinning”或更早一些的“electrostatic spinning”，国内一般简称为“静电纺”、“电纺”等。1934年，Formalas发明了用静电力制备聚合物纤维的实验装置并申请了专利，其专利公布了聚合物溶液如何在电极间形成射流，这是首次详细描述利用高压静电来制备纤维装置的专利，被公认为是静电纺丝技术制备纤维的开端。但是，从科学基础来看，这一发明可视为静电雾化或电喷的一种特例，其概念可以追溯到1745年。静电雾化与静电纺丝的最大区别在于二者采用的工作介质不同，静电雾化采用的是低粘度的牛顿流体，而静电纺丝采用的是较高粘度的非牛顿流体。这样，静电雾化技术的研究也为静电纺丝体系提供了一定的理论依据和基础。对静电纺丝过程的深入研究涉及到静电学、电流体力学、流变学、空气动力学等领域。20世纪30年代到80年代期间，静电纺丝技术发展较为缓慢，科研人员大多集中在静电纺丝装置的研究上，发布了一系列的专利，但是尚未引起广泛的关注。进入90年代，Reneker研究小组对静电纺丝工艺和应用展开了深入和广泛的研究。特别是近年来，随着纳米技术的发展，静电纺丝技术获得了快速发展，世界各国的科研界和工业界都对此技术表现出了极大的兴趣。此段时期，静电纺丝技术的发展大致经历了四个阶段：第一阶段主要研究不同聚合物的可纺性和纺丝过程中工艺参数对纤维直径及性能的影响以及工艺参数的优化等；第二阶段主要研究静电纺纳米纤维成分的多样化及结构的精细调控；第三个阶段主要研究静电纺纤维在能源、环境、生物医学、光电等领域的应用；第四阶段主要研究静电纺纤维的批量化制造问题。上述四个阶段相互交融，并没有明显的界线。

    电流体动力喷墨打印的原理是利用电场力将带电液滴拉到基板上去，当在打印液体溶液时，首先会在针尖口处形成一个半月面，施加电压后，当液体表面张力与施加的电场力处于平衡状态时，便会形成泰勒锥。当继续施加电压突破临界值时，泰勒锥前端会发生断裂，从而射出液滴。

泰勒锥的形成主要分为两个阶段，储能阶段和喷射阶段。

储能阶段是影响周期长短的主要因素。当液滴处于储能阶段时，泰勒锥前端会不停的上下摆动，当电场力与表面张力平衡打破时就会进入喷射阶段。储能阶段是影响周期长短的主要因素，电压强度、液体粘度及液体与针尖产生表面张力大小都会影响储能阶段的时间。

当处于喷射阶段时，第一滴液滴喷射后会带走部分电荷，泰勒锥因电荷变少重新回到储能阶段，泰勒锥底端再次上下摆动直到再次进入喷射阶段，如此周而复始便会形成锥射流。

（转载至：百度百科）

 

以下动图是 单颗水滴在电场中被拉伸并发生射流的过程。（附件文件结果动图）

以下动图是 乙醇针管在配合注射压力和电场，完成静电纺丝的过程。（非附件所计算结果）

 

以下动图是 介质在较大电势差的电场中，发生分裂的过程。（非附件所计算结果）

以下图示是静电纺丝的实验示意图和实际实验效果。

模型文件在附件中，需要的可以下载，谢谢。